Диссертация (1090573), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Поскольку интенсивность ГВГ пропорциональна квадратупадающей мощности, для сравнения результатов для всех областейпроводилась нормировка сигнала ГВГ на квадрат соответствующеймощности в каждом из интервалов t < 0, 0 < t < τA , t > τA (t=0 соответствуетоткрыванию луча 1, при 0 < t < τA на образец воздействуют лучи 1 и 2одновременно, при t > τA на образец воздействует только диагностирующийлуч малой мощности).Рисунок20.Экспериментальныезависимостинормированныхинтенсивностей ВГ от времени в процессе нагрева (0 < t < τA) и в процессеостывания (t > τA) при мощности отжигающего луча WA = 1 MW/cm2,времена отжига τA1 = 1 s, τA2 = 10 s.Длительность воздействия отжигающим излучением составляла 1 с(рисунок 20, а) и 10 с (рисунок 20, б). На графике (рисунок 20, а) довключения облучения, сигнал ГВГ от пленки PZT отсутствует.
Послеоткрывания затвора отжигающего лучаза время порядка 0,1 секундыпроисходит резкий подъем интенсивности ВГ. Затем рост интенсивностиГВГ насыщается и, в течение всего времени облучения (τA1 = 1 с), остаетсяприблизительно постоянным. После выключения отжигающего излучения75(при t=τA, рисунок 20 а) наблюдается рост нормированной на мощностьинтенсивности ГВГ.
Увеличение времени отжига (рисунок 20 б) приводит куменьшениюинтенсивностиВГ,что,по-видимому,связанос«пережиганием» пленки с образованием микротрещин и других дефектов нанее поверхности.3.3 Заключение по Главе 3Кинетика процесса кристаллизации пленок PZT под воздействиемфемтосекундного лазерного излучения исследована методом ГВГ.Длядостижения поставленной цели были построены однолучевая и двулучеваясхемы,описанныевглаве2.Полученывременныезависимостиинтенсивности ГВГ при различной плотности мощности излучения идлительности воздействия.
Показано, что в начальный момент временисигнал интенсивности ВГ равен нулю, что свидетельствует об отсутствиифазыперовскитафемтосекундноговпленкеотжигадоотжига.показали,Исследованиячтопроцесскинетикикристаллизацииперовскитных областей может продолжаться и после прекращениявоздействия лазерного излучения. Однолучевая схема позволяет проводитьисследования только в процессе отжига, поэтому для исследованиякинетикипредпочтительнеепозволяющуюпроводитьиспользоватьисследованиянадвухлучевуювсехэтапахсхему,отжигаипоследующей кристаллизации.ПридетектированииинтенсивностиВГвпроцессеотжиганаблюдаются, в зависимости от плотности мощности излучения, двехарактерные кривые (при одинаковом времени воздействия): резкий ростсигнала и его последующий спад, либо относительно медленный рост втечениевсеговремениэксперимента.РостинтенсивностиВГсвидетельствует об увеличении доли нецентросимметричной перовскитнойфазы в пленке, ее спад – о «пережигании» облучаемой области.
Такимобразом, вид временных зависимостей интенсивности ВГ при различных76плотностях мощности лазерного излучения позволяет оценить оптимальныезначения плотности мощности лазерного пучка.Показано, что пределы по плотности мощности излучения с длинойволны 800 нм и длительностью импульса 100 фс, обеспечивающиенедеструктивную кристаллизацию тонкопленочного пирохлорного PZTпрекурсора в сегнетоэлектрическую фазу, составляют 0.9 МВт/см2<W<1.2МВт/см2.Придлиневолнынакачки1040нмнедеструктивнаякристаллизация перовскитных областей происходит в диапазоне плотностимощности 0.1 МВт/см2<W<0.2 МВт/см2.
И в том, и в другом случаеменьшая плотность мощности не обеспечивает кристаллизацию, а большаяприводит к деструктивным изменениям платинизированной подложки.77ГЛАВА 4 МИКРОСТРУКТУРА И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕСВОЙСТВА ОТОЖЖЕННЫХ СТРУКТУРТопография4.1поверхностипленокPZT,отожженныхфемтосекундным лазеромТопография поверхности отожженных пленок PZT была исследованаметодом сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовоймикроскопии.В силу того, что длина волны электронов существенно меньше длиныволны видимого излучения, электронная микроскопия обладает болеевысокойразрешающеймикроскопами,способностьюразрешающаявсравненииспособностьсоптическимикоторыхограниченадифракционным пределом.Сканирующая электронная микроскопия позволяет получать картурельефа поверхности и различных фаз вещества.На рисунке 21 представлены изображения отожженных областей,полученные в сканирующем электронном микроскопе.
Данные точки былиотожжены при одинаковых условиях фокусировки излучения с длинойволны 800 нм в конфокальном микроскопе, но при различных значенияхплотности мощности излучения накачки: 1,5 МВт/см2 (рис. 21 а) и 2,2МВт/см2 (рис. 21 б). Размер изображения приблизительно 8х8 мкм2.На электронных изображениях можно различить несколько областей.Центральная область, диаметром 1,5 – 3 мкм представляет собой весьманеоднороднуюструктуру,внешнеотличающуюсяотокружающейаморфной «матрицы». Именно в этих областях генерируется наибольшийсигнал ВГ, но прямо сопоставить электронно-микроскопическое инелинейно-оптическое изображение трудно, так как сигнал ВГ генерируетсяи с поверхности, и из объёма структуры, а на электронных изображенияхмы видим только поверхность.
Эта центральная область видна на линейныхоптических изображениях.78Рисунок 21. СЭМ изображения областей, отожженных при длине волныизлучения 800 нм и плотности мощности: (а) – 1,5 МВт/см2, (б) – 2,2МВт/см2Дальше от центра различимы несколько концентрических областей.Они слабо заметны при отжиге оптимальной плотностью мощности иочевидны при её увеличении.
Эти концентрические области различны посвоей структуре, и дают определённый вклад в линейные оптическиеизображения в виде ореолов (будет показано ниже). Своим появлением ониобязаны сложному распределению температуры на поверхности плёнки.Симуляция этого распределения будет приведена далее.Топография областей, изображенных на рисунке 21, исследована спривлечением атомно-силовой микроскопии.
Изображения приведены нарисунке 22. Известно, что плотность перовскитной структуры PZT выше,чем плотность аморфного материала, поэтому в идеальных условиях отжигав центре отожженной области должен наблюдаться небольшой провал,связанный с уменьшением объема материала при кристаллизации вперовскит. Однако, при меньшей плотности мощности накачки мынаблюдали«выпуклость»вобластиотжига,которая,какбудетпродемонстрирована ниже, объясняется образованием внутренних дефектов79(полостей)и отслоением материалапленки от платинизированнойподложки. При увеличении плотности мощности до 2,2 МВт/см2 в центреотожженной области наблюдается очень сильный «провал», связанный, повидимому, с абляцией вещества под действием лазерного излучения.Также видна шероховатость окружающей плёнки – в местах, неподвергшихся облучению, есть возвышенности до 100 нм.а)20Высота, нм0-20-401,5 МВт/см22,2 МВт/см2-60-80-2-1012Расстояние, мкмРисунок 22.
Атомно-силовые изображения полученных структур примощности 1,5 МВт/см2 (а) и 2,2 МВт/см2 (б) и их сечения.804.2. Внутренняя микроструктура отожженных пленокДля подробного анализа полученных структур были полученыразрезы отожженных областей фокусированным ионным пучком, и затемпроведеноихисследованиеметодомпросвечивающейэлектронноймикроскопии (ПЭМ) (рисунок 23). Для предотвращения поврежденияпленки ионным пучком при резке, на пленку был нанесен слой платины.Было обнаружено отслоение пленки от нижнего слоя платины нанекотором расстоянии по обе стороны от области лазерного отжига. Этоподтверждает предположение, что при термическом расширении/сжатиипленки в процессе кристаллизации на границе раздела пленка/подложкавозникают механические напряжения, приводящие к отслоению пленки.Рисунок 23.
Светлопольное ПЭМ изображение среза зоны воздействиялазера (слева) и соответствующие дифракционные картины от разныхучастков: зона поликристаллов перовскита (снизу), крупное зерноперовскитной фазы, ось зоны [010], (сверху).
Светлые участки в слое PZTсоответствуют порам.ПЭМ показала, что область кристаллизации представляет собойполусферическую («чашеобразную») область с центром на поверхности81пленки. Имеются кристаллиты перовскита различных размеров (от 50 нм до500 нм).Интересно отметить, что в этом образце структура плёнки в областилазерного отжига принципиально отличается по морфологии зёрен ифазовому составу от остальной части плёнки и от других образцов:столбчатые образования отсутствуют вовсе, а в периферийных зонах, гденет пор, присутствуют крупные зёрна перовскитной фазы, растущей, повидимому, от поверхности плёнки PZT вглубь. От таких зёрен былиполученыдифракционныекартины,которыесвидетельствуютобориентации перовскита 110.
Расчет электронограмм показал, что перовскитв этой области обладает повышенной тетрагональностью (1,03-1,04) посравнению с табличными значениями – 1,02. Дифракционные картины отцентральной области свидетельствуют о присутствии только перовскитныхзёрен, хотя и более мелких размеров – около 50 нм.4.3 Результаты оптической микроскопииДля анализа и контроля результатов отжига применялась методикалинейной и нелинейно-оптической микроскопии.При идентификации и характеризации отожженных областей былииспользованы временные зависимости интенсивности ВГ (рисунок 24),полученные аналогично зависимостям, приведенным на рисунке 20. Данныезависимости иллюстрируют влияние времени отжига на параметрыкристаллизации. Как видно из рисунка 24, все представленные зависимостиимеют одинаковый характер: при перекрытом пучке в начале экспериментаинтенсивность ВГ практически равна нулю, в момент открывания лучапроисходит резкий скачок интенсивности, которая в пределах временногоразрешения (шаг измерений составлял 30 мс) изменялась незначительно,затем после закрывания затвора интенсивность снова падала в несколько рази изменялась далее со временем в соответствии с одним из механизмов,обсуждаемых выше……………………………………………………………….8218016012010080804020010111213141560604040200111213Time, s15181835003000250020001500160SHG140120100111213141519300028002600240022002000180016001801801601601401401206060404040202000141819201115202011121314151415162223242501112131415161718192021221112131415166005505004504003503002502117181920212223Time, sTime, s15200022221500232310005001401401201201001008080606040402014111213141510Time, s15350014150030002800260024002200200018001600153000SHG6040604020201002001010 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2415008080151015Time, sTime, sTime, s11121314151011121630002500200015001000169590858075706560555045403530252015105013151717180160140120100806040201015Time, s011,011,512,012,513,0Time, sРисунок 24.
Временные зависимости интенсивности ВГ при плотности мощности 1 МВт/см2 и длительностивоздействия от 0,1 с до 5 с. Цифрами на графиках обозначены номера (коды) отожженных областей.8314Time, sTime, s250010001400010171000252121Time, sSHGSHGSHG6030202001312040Time, s1920001000501518201500101725300001651213132000501510200025001420Time, s1213Time, s0102500122020Time, s3500174040120601316606008012802080111003001001040Time, s191200168014020100801605030180SHG1429293000280026002400220020001800160014001200100018020Time, s28100010SHG4000350030002500200015001000500120281500601401002000277016014027SHG60SHGSHGSHG8040003500300025002000150026SHG18026SHG400035003000250020001500100025SHG25SHG24SHG30002500200015001000SHG24SHG250020001500100050013,514,014,515,0Время отжига для каждой из областей на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
